JP2821148B2

JP2821148B2 - 投影露光装置

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Publication number: JP2821148B2
Application number: JP63258555A
Authority: JP
Inventors: 真人村木; 章義鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH02105514A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、投影露光装置に関し、特に半導体素子製造
の分野において、半導体ウエハ表面にレチクルの回路パ
ターンを繰り返し縮小投影露光する際の自動ピント調整
機能所謂オートフオーカス機能を有するステツパーと呼
ばれる投影露光装置に関する。

〔従来技術〕

近年、半導体素子、LIS素子、超LSI素子等のパターン
の微細化、高集積化の要求により、投影露光装置におい
て高い解像力を有した結像（投影）光学系が必要とされ
てきている為、結像光学系の高NA化が進み結像光学系の
焦点深度は浅くなりつつある。

又、ウエハには、平面加工技術の点から、ある程度の
厚さのばらつきと曲りを許容しなければならない。通
常、ウエハの曲りの矯正については、サブミクロンのオ
ーダーで平面度を保証する様に加工されたウエハチヤツ
ク上にウエハを載せ、ウエハの背面をバキユーム吸着す
ることにより平面矯正を行っている。しかしながら、ウ
エハ１枚の中での厚さのばらつきや吸着手法、更にはプ
ロセスが進む事によって生ずるウエハの変形について
は、いくらウエハの平面を矯正しようとしても矯正不能
である。

この為、レチクルパターンが縮小投影露光される画面
領域内でウエハが凹凸を持つ為、実効的な光学系の焦点
深度は、さらに浅くなってしまう。

従って、縮小投影露光装置に於いては、ウエハ面を焦
点面に（投影光学系の像面）に合致させる為の有効な自
動焦点合わせ方法が重要なテーマとなっている。

従来の縮小投影露光装置のウエハ面位置検出方法とし
ては、エアマイクロセンサを用いる方法と、投影露光光
学系を介さずにウエハ面に斜め方向から光束を入射さ
せ、その反射光の位置ずれ量を検出する方法（光学方
式）が知られている。

一方、この種の投影露光装置では、投影光学系の周囲
温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射される光線に
よる温度上昇、あるいは投影光学系を含む装置の発熱に
よる温度上昇などによりピント位置（像面位置）が移動
し、これを補正しなければならない。従って、周囲の温
度変化、大気圧変化を検出器によって計測したり、投影
光学系内の一部の温度変化、大気圧変化を検出器により
計測したりすることにより、投影光学系のピント位置を
計算し、補正を行っていた。

しかしながら、この方法では、投影光学系のピント位
置を直接計測していない為、温度，大気圧を計測する検
出器の検出誤差、また温度変化量、大気圧変化量により
投影光学系のピント位置を計算し補正する際の近似式で
ある計算式に含まれる誤差により、高精度の投影光学系
のピント位置検出が不可能であるという欠点があった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、投影光学系のピント位置（像面位
置）を高精度に検出して、投影光学系の像面とウエハ面
とを正確に一致させることが可能な投影露光装置を提供
することにある。

上記目的を達成するための本発明は、回路パターンが
形成されたマスクを露光光で照明し、投影光学系を介し
て前記回路パターンをウエハ上に投影露光する投影露光
装置において、前記投影光学系の画面領域内に位置する
合焦用パターンへの前記露光光と同一の波長での照明及
び前記合焦用パターンからの光の検出を、該波長の光に
前記投影光学系を往復させて実行し、該検出の結果より
前記投影光学系のピント位置を検出するピント位置検出
手段と、前記合焦用パターンの位置の移動に応じて、前
記合焦用パターンからの光を検出するように前記ピント
位置検出手段の少なくとも一部を移動可能とする手段
と、前記マスクとウエハの位置合わせのためのアライメ
ントマークを検出するアライメントマーク検出手段と、
を有し、前記アライメントマーク検出手段が前記ピント
位置検出手段の一部を用いて前記アライメントマークを
検出することを特徴としている。

本発明の具体的形態は後述する実施例に詳しく記載さ
れているが、特に本発明の好ましい形態は次の４点の基
本思想に基づいて構築された。又、投影光学系の像面位
置即ちフオーカス位置は、上述の如く投影光学系自身を
使用する（所謂TTL方式）ことにより行われる。尚、「T
TL」とは「Through The Lens」の略である。

（１）フオーカス位置（投影光学系の像面）の検出は露
光波長で直接行う。

（２）フオーカス位置の検出は焼き付けに用いるレチク
ルを利用して行う。

（３）投影光学系を用いないオフアクシス方式における
ウエハの面位置検出装置を従来通り使用する。

（４）フオーカス位置検出の為にウエハステージ上にレ
ジスト等が塗布されていない基準反射面を設ける。

フオーカスの検出を実際の露光光と波長がほぼ等しい
光とレチクルを用いて行うのは最も理想的な形と言え
る。波長が露光光と異なれば投影光学系（レンズ系）の
気圧−フオーカス特性、露光−フオーカス特性等が微妙
に異なり、その分を計算によりオフセツト補正する事が
必要となる。この様な補正を誤差の要因となるし、又、
計算だけですべての現象を記述しきるのは不可能であ
る。ここで、露光波長をTTLフオーカスのプローブ光に
使う事には２つの欠点が存在している。一つは露光光だ
とレジストを感光させてしまうこと、他の一つは多層レ
ジスト或いは吸収レジストといったプロセスがウエハ側
に採用された場合、ウエハからの反射光が戻ってこない
という事である。この為、本発明では、ウエハステージ
に基準反射面を形成する事によりこの問題を解決した。
この基準反射面の位置を従来のオフアクシスオートフオ
ーカス系とTTLオートフオーカス系の双方で測定してや
る事により両者の対応をつけてやるのである。

又、オフアクシスオートフオーカス系は非露光波長を
用いることで多層レジスト等にまつわる問題からはフリ
ーになる。

TTLオートフオーカスの手法として、最も代表的なも
のはスリツト像を投影レンズを介してウエハ面上に投影
し、その反射光を再びそのスリツトを介して受光し、そ
の受光光量の特性からベストフオーカス位置を決定する
ものである。例えば観察用の顕微鏡の中にこの種のスリ
ツトを設けて投影し、その受光光量をとる様なものが知
られている。

この投影レンズを用いた結像で最も高精度な結像が行
われるのは露光波長は露光波長におけるレチクルとウエ
ハ間の結像である。従って、レチクル以外の例えば上述
の顕微鏡内にスリツトを設ける場合には誤差を生じるこ
とになる。又、像面位置の検出を常に安定して行うため
には、レチクルの種類によらず同一形状のスリツトをレ
チクルに形成しておくのが良い。従って、レチクルの回
路パターン以外の部分に合焦用マークを形成する。

本投影露光装置では、回路パターンを有するレチクル
（マスク）をステージに装着した状態で、照明手段から
の露光光と同一の波長を有する光をレチクルの合焦用マ
ークに指向し、レチクルを通過した光を投影光学系を介
してウエハステージ上の基準反射面に向ける。そして基
準反射面からの反射光を、再度投影光学系とレチクルを
介して受光素子で受光する。この受光素子からの出力信
号がフオーカスエラー信号であり、ウエハステージを投
影光学系の光軸方向に上下動させて基準反射面の位置を
変化させ、この時の受光素子からの出力信号の最大値を
示す基準反射面の位置を検出することにより、この位置
を投影光学系の最適フオーカス位置（最良像面位置）と
して知ることができる。又、この基準反射面の位置を別
個に設けたオフアクシスのオートフオーカス系（ウエハ
面位置検出システム）でモニターすることにより、投影
光学系のピント位置の経時変化に追従させて、ウエハ面
に対する自動焦点制御、所謂オートフオーカスができ
る。即ち、TTLオートフオーカス系で検知した投影光学
系の最適フオーカス位置をオフアクシスオートフオーカ
ス系の基準位置として使用し、実際にウエハを処理する
時はオフアクシスオートフオーカス系によりこの基準位
置に対するウエハ面の位置ずれ量（又はウエハ上の各シ
ヨツト領域の位置ずれ量）を検出し、補正してやれば良
い。

以下に具体的実施例を示す。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例に係る自動焦点制御装置
を有する縮小投影露光装置の構成を示す概念図である。

同図において、１はレチクル（フオトマスク）であ
り、レチクルステージ２に保持されている。レチクル１
上の回路パターンが縮小投影レンズ３によって、XYZス
テージ４上のウエハ５上に1/5に縮小されて結像し、露
光が行われる。第１図では、ウエハ５に隣接する位置
に、ウエハ５の上面とそのミラー面の高さがほぼ一致し
ている基準平面ミラー６が配置されている。又、基準平
面ミラー６のミラー面はCrやAl等の金属膜で形成されて
いる。実際のレジストが塗布されたウエハを用いる代り
に基準平面ミラー６を用いる理由は前述した通りであ
る。

又、XYZステージ４は縮小投影レンズ３の光軸方向
（Ｚ方向）及びこの方向に直交する面内（ｘ−ｙ面）で
移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させるこ
ともできる。

ウエハ回路パターンを転写する時、レチクル１は照明
光学系７によって回路パターンの転写が行われる画面領
域内を照明される。

第１図の符番８及び９は、オフアクシスの面位置検出
光学系を構成する要素を示している。８は投光光学系で
あり、複数個の光束を投光する。投光光学系８より投光
される各光束は非露光光から成り、ウエハ５上のフオト
レジストを感光させない光である。そして、この複数の
光束は、基準平面ミラー６上（あるいはウエハ５の上
面）に各々集光されて反射される。

基準平面ミラー６で反射された光束は、検出光学系９
内に入射する。図示は略したが、検出光学系９内には各
反射光束に対応させて複数個の位置検出用の受光素子が
配置されており、各位置検出用受光素子の受光面と基準
平面ミラー６上での各光束の反射点が結像光学系により
ほぼ共役となる様に構成されている。基準平面ミラー６
の、縮小投影レンズ３の光軸方向の位置ズレは、検出光
学系９内の位置検出用受光素子上での入射光束の位置ズ
レとして計測される。

この検出光学系９により計測された基準平面ミラー６
の所定の基準面よりの位置ズレは、位置検出用受光素子
からの出力信号に基づいて面位置検出装置10により面位
置として算出され、これに対応する信号が信号線を介し
てオートフオーカス制御系11に入力される。

オートフオーカス制御系11は、基準平面ミラー６が固
設されたXYZステージ４を駆動するためのステージ駆動
装置12に信号線を介して指令信号を与える。又、TTLで
投影レンズ３のフオーカス位置を検知する時には、オー
トフオーカス制御系11によりステージ駆動装置12に指令
を与え、基準平面ミラー６が所定の基準位置の近傍で投
影レンズ３の光軸方向（Ｚ方向）に上下に変位する様に
XYZステージを駆動する。また、本実施例では、露光の
際のウエハ５のｘ−ｙ面内における位置制御もオートフ
オーカス制御系11とステージ駆動装置12により行われ
る。

次に本発明である処の、縮小投影レンズ３のフオーカ
ス位置検出光学系について説明する。

第２図、第３図において１はレチクル、31はレチクル
１上に形成されたパターン部で遮光性をもつものとす
る。又、32はパターン部31に挟まれた透光部である。こ
のパターン部31と透光部32により合焦用マーク30を構成
している。ここで、縮小投影レンズ３のフオーカス位置
（像面位置）の検出を行う時には、前述したようにXYZ
ステージ４が縮小投影レンズ３の光軸方向に移動する。
基準平面ミラー６は、縮小投影レンズ３の真下に位置付
けられており、レチクル１のパターン部31と透光部32は
後述するオートフオーカス用照明光学系により照明され
ている。

始めに、基準平面ミラー６が縮小投影レンズ８のピン
ト面にある場合について第２図を用いて説明する。レチ
クル１上の透過部32を通った光は、縮小投影レンズ３を
介して、基準平面ミラー６上に集光し反射される。反射
された光は、往路と同一の光路をたどり、縮小投影レン
ズ３を介しレチクル１に集光し、レチクル１上のパター
ン部31間の透光部32を通過する。この時、光は、レチク
ル１上のパターン部31にケラレることなく、全部の光束
がパターン部31の透過部を通過する。

次に、基準平面ミラー６が縮小投影レンズ３のピント
面よりズレた位置にある場合について第３図を用いて説
明する。レチクル１上のパターン部31の透過部を通った
光は、縮小投影レンズ３を介し、基準平面ミラー６上に
達するが、基準平面ミラー６は、縮小投影レンズ３のピ
ント面にないので、光は、広がった光束として基準平面
ミラー６で反射される。即ち、反射された光は往路と異
なる光路をたどり、縮小投影レンズ３を通り、レチクル
上に集光することなく、基準平面ミラー６の縮小投影レ
ンズ３のピント面からのズレ量に対応した広がりをもっ
た光束となってレチクル１上に達する。この時、光束は
レチクル１上のパターン部31によって一部の光がケラレ
を生じ全部の光束が透光部32を通過することはできな
い。即ちピント面に合致した時とそうでない時にはレチ
クルを通しての反射光量に差が生じるのである。

次に、第１図に戻り、フオーカス位置検出光学系の照
明系と受光系について説明する。まず、照明系は露光用
の照明系７から導光用フアイバー13によって、露光光と
波長が同一の光を取り出す。フアイバー13の端部から発
せられる光は、チヨツパー（シヤツター）14により間欠
的に（パルス光として）リレーレンズ15に入射される。
そして、絞り16を通り変更ビームスプリツター17でＳ偏
光成分の光だけ、反射して、λ/4板18、対物レンズ19、
切り換えミラー20を通り、レチクル上の合焦用マーク30
の近傍を照明する。絞り16は本照明系の瞳であって照明
系の有効光源を決定する。又、絞り16の位置は、投影レ
ンズ３の瞳と共役な位置に設定される。

次に受光系について説明する。第２図，第３図で述べ
たように、レチクル１を介して戻ってくる基準平面ミラ
ー６からの反射光は、切り換えミラー20及び対物レンズ
19を通りλ/4板18に入射する。この反射光はλ/4板18を
通過することによりＰ偏光光となり偏光ビームスプリツ
ター17を透過する。そして、リレーレンズ21を通過し、
投影レンズ３の瞳と共役な位置に設けた受光素子22に入
射し、受光素子22で光量が検出される。ここで変更ビー
ムスプリツターとλ/4板は光利用効率を高める働きをし
ている。

この時、基準平面ミラー６からの反射光以外に、レチ
クル１からの信号でない直接反射光受光素子22に入射す
ると、レチクル１からの反射光がフレア光となって信号
のS/N比を低下させる恐れがある。本実施例の投影レン
ズ３がウエハー側でのみテレセントリツクでレチクル側
で、テレセントリツクではない場合、レチクル１への照
明光の入射角は垂直でないので、レチクル直接反射光は
逆戻りせず、受光素子22には入射されない。また、投影
レンズ３がレチクルとウエハー側双方でテレセントリツ
クである場合は、λ/4板18を現在図示している位置では
なく、レチクル１とXYZステージ４の間例えば投影レン
ズ３内に挿入すれば、レチクル１で直接反射した光を偏
光ビームスブリツタ17によって遮光して受光素子22に入
射しないようにし、投影レンズ３を介して基準平面ミラ
ー６からの反射光のみを受光素子22に導き、信号のS/N
比を向上させる事ができる。

又、第１図における符番24,25はフオーカス位置検出
光学系の光量モニターを構成する要素を示しており、24
は集光レンズ、25は受光素子である。

先に述べた様に導光用フアイバー13から射出した光の
内のＳ偏光成分は偏光ビームスプリツター17で反射され
て合焦用マーク30を照明するが、残りのＰ偏光成分は偏
光ビームスプリツター17を透過する。そして、この透過
した光が、集光レンズ24で受光素子25上に集光される。
そして、受光素子25は、その受光した光の強度に応じた
信号を信号線を介して基準光量検出系26へ入力する。

従って、フアイバー13からの光がランダムな偏光特性
をもつものと仮定すれば、受光素子25からの信号はフア
イバー13からの光の光量変動に比例して変化する。

以下に、受光素子22からの信号出力を用いて、縮小投
影レンズ３のフオーカス位置（像面位置）を検出する方
法について説明する。

ステージ駆動装置12により、基準平面ミラー６を載置
したXYZステージ４を縮小投影レンズ３の光軸方向に、
オフアクシスの面位置検出装置９で予め設定している零
点を中心に駆動させるものとする。この時、面位置検出
装置10で基準平面ミラー６の複数箇所の光軸方向に関す
る位置がモニターされる。この複数箇所の中で、フオー
カス位置検出系により合焦用マーク30の像が投影される
位置の近傍の計測値をｚとして基準平面ミラー６の位置
を代表させる。基準平面ミラー６で反射された光を受光
素子22で受光した時に、焦点面検出系23から得られる信
号出力とこのｚの関係を、第４図に示す。

本実施例では露光用の照明系７の水銀ランプなどの光
源のゆらぎ（光量変動）の影響を除くために、焦点面検
出系23の信号を、前述した基準光量検出系26からの信号
で規格化する。また、受光素子22のシヨツトノイズの影
響を軽減する為にフアイバー13からの光を、特定の周期
でチヨツパー14により遮光して合焦用マーク30を間欠的
に照明すると共に、焦点面検出系23でその周期と同期し
て信号を得るようにしている。この動作を行うために、
チヨツパー14は不図示の信号線でオートフオーカス制御
系11と連絡してあり、オートフオーカス制御系11でチヨ
ツパー14と焦点面検出系23の同期制御を行なっている。
これは、オートフオーカス制御系11のタイミング回路か
ら、特定周波数の駆動クロツクをチヨツパー14の駆動装
置（不図示）と焦点面検出系23へ入力することにより実
行される。

さて、基準平面ミラー６が縮小投影レンズ３のピント
面（像面）に位置した場合に、焦点面検出系23の出力は
ピーク値を示す。この時の面位置検出系計測値z₀をもっ
てして、縮小投影レンズ３を用いて、ウエハ５に露光を
行う際の投影光学系のフオーカス位置とする。

この様にして決まった投影レンズ３のフオーカス位置
はオフアクシスオートフオーカス検出系の基準位置とな
る。実際のウエハの焼付最良位置はこの基準位置からウ
エハの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけオフセツ
トを与えた値となる。例えば多層レジストプロセスを用
いてウエハを露光する場合には多層の一番上の部分だけ
を焼けば良いのでウエハのレジスト表面と基準位置はほ
ぼ一致する。一方、単層レジストで露光光が基板に十分
到達する様な場合、ウエハのピントはレジスト表面では
なく基板面に合致するので、この場合レジスト表面と基
準位置の間に１μｍ以上のオフセツトが存在する事も稀
ではない。こうしたオフセツト量はプロセス固有のもの
で投影露光装置とは別のオフセツトとして与えられるも
のである。装置自体としては本発明の様な方法で投影レ
ンズ自体のピント位置を正確に求められれば充分であ
り、上記オフセツト量は、必要な場合にのみオートフオ
ーカス制御系11や駆動系12に対して投影露光装置の不図
示のシステムコントローラを介して予め入力してやれば
良い。

このピント位置z₀の検出は、焦点面検出系23の出力の
ピークをもって決定してもよいが、その他にも色々な手
法が考えられる。例えばより検出の敏感度を上げるため
に、ピーク出力に対してある割合のスライスレベル220
を設定し、このスライスレベル220の出力を示す時のオ
ートフオーカス計測値z₁,z₂を知ることににより、ピン
ト位置をとして決定しても良いし、又、ピーク位置を微分法を使
って求める等の手法も考えられる。

レチクル１上に形成する合焦用マーク30は、透過部32
の線巾が細い程基準平面ミラー６の光軸方向の変化に対
する受光素子22からの出力信号の変化が大きくなり、像
面位置の検出感度が良くなる。従って、本実施例では、
合焦用マーク30の線巾ｌをとなるように選び、像面位置の検出感度を上げている。
ここで、λは合焦用マークを照明する光の波長、NAは投
影レンズの開口数、βは投影レンズの倍率を示してい
る。

我々が検討した結果、像面位置検出を良好に行なうた
めの合焦用マークの線巾ｌは、を満たすことが条件となる。又、更に高精度の像面位置
検出を行なうためには、を満たすように線巾ｌを決定すると良い。

合焦用マーク30の線巾を小さくしていくと、受光素子
への入射光の強度が減少して信号のS/N比が劣化する傾
向にあるが、この傾向を軽減するために、本実施例で
は、第５図（Ａ），（Ｂ）に示す如き合焦用マークを使
用している。第５図（Ａ），（Ｂ）に示すように、本合
焦用マークは線巾ｌのスリツトを多数個並べて構成して
あり、これにより受光素子への入射光の強度を上げるこ
とができる。

本実施例では、像面位置検出の感度を上げるために、
レチクル１上の合焦用マーク30を照明する照明系にも工
夫を施している。第６図（Ａ）は本実施例で用いた絞り
16の形状を示す平面図である。絞り16は、レチクル１を
照明する時の有効光源の形状を決定するものであり、第
６図（Ａ）において斜線で示す領域が遮光部で空白の領
域が光透過部を示している。

第６図（Ａ）に示す様に、本実施例の絞り16は光透過
部即ち有効光源が光軸（照明系の光軸）に対して偏心し
ており、このため、基準平面ミラー６の光軸方向（投影
レンズの光軸方向）の変化により、合焦用マークの像が
ボケると共に光軸と直交する面内で位置ズレをもおこす
ので、受光素子からの出力信号の変化が大きくなり、像
面位置の検出感度を良くすることができる。

又、第６図（Ｂ），（Ｃ）は本投影露光装置に使用し
得る絞りの他の形態を示す平面図であり、第６図（Ｂ）
では光透過部をリング状に形成しているため、第６図
（Ａ）の時に比べて受光素子への入射光強度を上げるこ
とができ、又、検出精度と検出感度も向上できる。

一方、第６図（Ｃ）は光透過部が光軸に対して偏心し
ていない絞りの例を示しており、合焦用マーク照明時の
有効光源を露光時の有効光源とほぼ同一としたものであ
る。この様な絞りは、実際の露光における投影レンズの
デフオーカス特性を再現できるため、厳密に像面検出系
により検出した像面と露光時の像面とを一致させること
ができる。

以上説明した投影レンズ３の像面位置検出を行った後
ウエハ５を露光するまでの過程を第７図のフローチヤー
トに示す。第７図では、ウエハ１枚毎に、縮小投影レン
ズ３の像面位置検出を行うフローチヤートを示している
が、各シヨツト毎、数枚のウエハ毎又はロツト毎に像面
位置検出を行っても差しつかえないことは、言うまでも
ない。

従って、実際のパターン転写に用いるレチクルと投影
レンズを通った光を検出光として用いて、投影レンズの
フオーカス位置を直接に計測すると共に、パターンが転
写されるウエハの位置検出をオフアクシスの面位置検出
系を用いて別途計測し、両者の対応をつける事によっ
て、常に、この投影レンズのピント面にパターンが転写
されるべきウエハを位置させることが可能である。

それ故、従来、投影露光光学系の周囲の温度変化、大
気圧変化、又は照射される光線による温度上昇、あるい
は投影光学系を含む装置の発熱による温度上昇によるピ
ント位置の経時変化に原理的に影響されることがないと
いう長所がある。

又、本発明によるピント位置の計測は露光を行ってい
くサイクルの任意の時間に挿入可能なので、計算時と露
光時の時間的な差も最小にする事ができるという利点も
持っている。

上記実施例では、フオーカス位置検出光学系と合焦用
マークの位置が固定されており、合焦用マークを、いつ
もレチクルの所定の位置に設定できればフオーカス位置
検出光学系による検出位置は固定で良い。しかしながら
合焦用マークの存在が露光可能範囲を制限してしまう場
合もある。その為、専用の合焦用マークを用いる場合、
該マークは焼きつける回路パターンの大きさに応じて自
由な位置に設定できる事が望ましい。従って、合焦用マ
ークのレチクル上の位置の変化に応じて、少なくとも対
物レンズ19及びミラー20を含む検知ユニツトはレチクル
に対する位置を変更可能に構成しておくと良い。

第８図は投影レンズ３が形成する実際の像面と理想像
面との差を示すグラフ図である。投影レンズ３はレチク
ル１の回路パターンを正確にウエハ５上に投影するため
に、厳しく収差補正がなされているが、完全に像面湾曲
を補正することができない。投影レンズ３の合焦深度が
深い時や、要求される解像線巾が大きい場合はある程度
の像面湾曲は無視し得るが、解像力を上げるために投影
レンズ３のNAを大きくしたり或いは画角を大きくした時
には、像面湾曲の存在は無視できなくなる。

従って、ウエハを投影レンズ３の像面位置に位置付け
る場合には、投影レンズ３の像面湾曲データを考慮して
やる必要がある。

例えば、前述の実施例では、合焦用マーク30が投影レ
ンズ３の軸外に設けられ、フオーカス位置検出光学系は
投影レンズ３の軸外のある一点（Ａ）の像面位置しか検
出していない。この場合、第８図に破線で示すように実
際の像面が湾曲していると、像面内の他の箇所の真の像
面位置は検出していないことになる。

従って、予め検査して用意しておいた投影レンズの像
面湾曲データに基づいて、計測により得られた特定点の
像面位置から他の箇所の像面位置を求めていると良い。
又、この像面湾曲データは第１図のオートフオーカス制
御系11内のメモリに格納しておけば良い。

第１図の投影露光装置では、オフアクシス面位置検出
装置10でウエハ５の（被露光領域又はシヨツト）の複数
箇所の面位置を検出している。そして、この複数箇所の
面位置に関するデータにもとづいてウエハ５の光軸方向
の位置と傾きを補正するのである。この時、XYZステー
ジ４を駆動してやることにより調整したウエハ５の面位
置Ｚとこの複数箇所に対応する投影レンズ３の真の像面
位置Z_0i（ｉ＝1,2,3…,m）との関係が、となるようにすれば、ウエハ５の表面と投影レンズ３の
最良像面位置に位置付けることができる。

これは、投影レンズ３の最良像面位置を、像面湾曲デ
ータと焦点面検出系23で得られた像面位置とにもとづい
て決定し、この最良像面位置を目標にしてウエハの面位
置調整を行っていることになる。ここでは像面の各像点
の実際の位置から、最小自乗法により最良像面（基準像
面）を決定している。

第９図はフオーカス位置検出光学系の他の実施例を示
す概略図であり、図示されていない部分は第１図と同じ
構成を有するものとする。

本実施例では、TTLのフオーカス位置検出光学系を独
立な系として投影露光装置に組み込むものではなく、レ
チクルとウエハの位置合わせのためのアライメントマー
ク検出光学系と光学系を共用させ装置をコンパクトにし
ている。特に、第９図に符番45,46で示す切り換えミラ
ーは、フオーカス位置検出時とアライメントマーク検出
系時とで光路に挿入されたり光路から退避できるよう
に、構成されている。第１図の装置と本実施例の装置の
相違点は、絞り16と偏光ビームスプリツター17の間に光
路中に出し入れ自在な切り換えミラー45を挿入して、露
光用の照明系７から導光用フアイバー13で露光光を導
き、リレーレンズ41とハーフミラー45を介して、TTLの
フオーカス位置検出光学系の照明系と結合させ、レチク
ル１のアライメントマークを照明している点である。
又、図示はしていないが、視野制限スリツトでアライメ
ントのみを照明している。この時レチクル１上のアライ
メントマークを照明した光は、投影レンズ３を介して、
ウエハ上のアライメントマークも照明する。すると、レ
チクルアライメントマーク及びウエハアライメントマー
クからの光が、切り換えミラー20と対物レンズ19を介し
てλ/4板18に入射し、その後偏光ビームスプリツター17
とリレーレンズ21経て、第１図の系とは異なり出し入れ
自在の切り換えミラー46によって反射され、リレーレン
ズ42を介してCCD43に結像される。そして、CCD43上に形
成したウエハアライメントマーク像とレチクルアライメ
ントマーク像のズレをアライメント検出系44によって検
知することにより、レチクルとウエハの位置合わせを行
う。又、切り換えミラー45,46を図示してある光路から
退避させることにより、前述したフオーカス位置の検出
を行うことができる。

更に、TTLフオーカス位置検出光学系とアライメント
マーク検出光学系で光学系の視野を分割して使用すれ
ば、受光素子を共用しても構わないし、又、レチクルア
ライメントマークを合焦用マークとして使用することも
できる。

前述の実施例では、オフアクシスの面位置検出光学系
は、基準平面ミラーとウエハ面の複数箇所の光軸方向の
位置を検知しているが、各面の特定の一点の位置とその
傾きを検知する様にしても構わないし、面の傾きが小さ
いか或いはTTLのフオーカス位置検出光学系による検出
位置と同一位置を検出する場合には面の一点の位置を検
知するだけでもよい。すなわち、TTLのフオーカス位置
検出光学系の検出位置近傍の光軸方向のミラー面の位置
がオフアクシスの面位置検出光学系で計測できれば良い
もである。従って、両検出光学系による計測は同時に行
っても良いし、順次行っても良い。第10図に、オフアク
シスの面位置検出光学系が、基準平面ミラーの一点の位
置しか検知しない場合の、像面位置検出に関するフロー
チヤートを示す。

〔発明の効果〕

以上、本発明では、実際に投影光学系を経由する露光
光と同一の波長の光を用いて合焦用パターンの検出を実
行することで投影光学系のピント位置を検出するので、
これを基準としてウエハ面を像面位置に位置付けでき、
経時変化する投影光学系のピント位置を精度良く検出
し、高精度の焦点合わせが可能になる。これにより高解
像のパターンをウエハ上に形成出来、より集積度の高い
回路を作成できるというすぐれた効果がある。特に合焦
用パターンの位置の移動に応じて、合焦用パターンから
の光を検出するようにピント位置検出手段の少なくとも
一部を移動可能としているので、合焦用パターンの位置
が自由に設定できる効果があり、且つアライメントマー
ク検出手段とピント位置検出手段で一部共用構成とする
ことにより、装置のコンパクト化が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る自動焦点制御装置を有
する投影露光装置を示す構成図。第２図及び第３図は、各々、基準平面ミラーと縮小投影
レンズの像面が一致している場合及び像面からずれてい
る場合の基準平面ミラーからの反射光の様子を示す説明
図。第４図は面位置検出装置による計測値に対する焦点面検
出系の出力信号の関係を示す図。第５図（Ａ），（Ｂ）は合焦用マークの形状の一例を示
す平面図。第６図（Ａ）〜（Ｃ）は照明系の絞りの形状例を示す平
面図。第７図は焦点面検出から露光に至るまでのシーケンスの
一例を示すフローチヤート図。第８図は投影レンズの理想像面の実際の湾曲した像面と
の関係を示すグラフ図。第９図はフオーカス位置検出光学系の他の実施例を示す
概略図。第10図は焦点面検出の他のシーケンスを示すフローチヤ
ート図。１……レチクル２……レチクルステージ３……縮小投影レンズ４……XYZステージ５……ウエハ６……基準平面ミラー７……露光用照明系８……投光光学系９……検出光学系 10……面位置検出装置 11……オートフオーカス制御系 12……ステージ駆動装置 13……フアイバー 14……チヨツパー 15……リレーレンズ 16……絞り 17……偏光ビームスプリツター 18……λ/4板 19……対物レンズ 20……ミラー 21……リレーレンズ 22……受光素子 23……焦点面検出系 24……リレーレンズ 25……受光素子 26……基準光量検出系

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成されたマスクを露光光
で照明し、投影光学系を介して前記回路パターンをウエ
ハ上に投影露光する投影露光装置において、前記投影光学系の画面領域内に位置する合焦用パターン
への前記露光光と同一の波長での照明及び前記合焦用パ
ターンからの光の検出を、該波長の光に前記投影光学系
を往復させて実行し、該検出の結果より前記投影光学系
のピント位置を検出するピント位置検出手段と、前記合焦用パターンの位置の移動に応じて、前記合焦用
パターンからの光を検出するように前記ピント位置検出
手段の少なくとも一部を移動可能とする手段と、前記マスクとウエハの位置合わせのためのアライメント
マークを検出するアライメントマーク検出手段と、を有し、前記アライメントマーク検出手段が前記ピント
位置検出手段の一部を用いて前記アライメントマークを
検出することを特徴とする投影露光装置。